CN102967936B - 用于红外动态跟踪特性测试的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是用于红外动态跟踪特性测试的光学装置。在封闭铸管内依次设置有装有光阑的平行光管物镜、望远物镜和望远目镜，构成光学装置。在光学装置的一侧设置有黑体，另一侧设置有被测红外系统。采用本发明的装置能够有效提高光学系统测试MTF的性能，工程实现容易。应用于红外动像传递函数测量装置的光学性能测试，还应用于航天光学器件光学性能测试。

Description

用于红外动态跟踪特性测试的光学装置

技术领域

本发明涉及光学领域的仪器，具体地说是用于红外动态跟踪特性测试的光学装置。

背景技术

目前红外光学材料具有种类少、色散特性差异大、透过率低的缺点,红外光学系统常见的设计方式有反射式、折射式和折反式三类。反射式镜头具有无色差、元件数量少、工作波段没有限制和对材料要求不高的优点,但反射式镜头视野小、能量损失大、对杂散辐射敏感、成本高;折射式镜头具有视野大、能量透过率高、成本低的优点,但折射式镜头色差难以校正、热稳定性差;折反式镜头具有成本低、成像质量好,但折反式镜头对杂散辐射较敏感、能量损失较大。但常见光学系统设计方法的考虑对象,均局限在减小光学系统的球差、慧差、像差、色散等光学因素,都没有重点考虑在利用动态传递函数测试红外系统动态跟踪特性时,如何降低光学系统对MTF的下降程度、提高测量动像空间频率的准确程度、适应动像运动的大视野光学准直的问题。

发明内容

为了实现红外动态跟踪特性测试，本发明提出了用于红外动态跟踪特性测试的光学装置。该装置通过平行管物镜与望远物镜和望远目镜的设置与参数计算确定，解决现有红外光学装置的测量动像空间频率的准确程度低、不适应动像运动的大视场光学准直的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

光学装置结构：

在封闭铸管内依次设置有装有光阑的平行光管物镜、望远物镜和望远目镜，构成光学装置。在光学装置的一侧设置有黑体，另一侧设置有被测红外系统。

平行光管物镜结构：在两凸透镜中间相隔设置有凹透镜，在凹透镜附近设置有光阑。凸透镜凸面对称设置在凹透镜两侧或凸透镜凹凸面非对称设置在凹透镜的两侧。

望远物镜结构：望远物镜为彼此分离设定间隔的两个凹透镜组成。

缩放焦距的望远目镜结构：望远目镜为彼此分离设定间隔的凹透镜和凸透镜组成。

参数确定：

1、采用像差理论求解（P.W）法设计红外平行光管物镜与望远物镜初始结构；

2、采用缩放法设计红外望远目镜初始结构;

3、通过匹配软件对光学装置进行优化设计和像质评价。

积极效果：本发明结构简单,工程实现容易,适宜作为红外跟踪特性测试的装置应用。

附图说明

图1为本发明装置结构图

图2为本发明平行光管物镜结构图

图3为本发明望远物镜结构图

图4为本发明望远目镜结构图

图中，1.封闭铸管，1.0.光阑，1.1.平行光管物镜，1.2.望远物镜，1.3.望远目镜，4.黑体，5.被测红外系统。

具体实施方式

光学装置结构：

在封闭铸管1内依次设置有装有光阑1.0的平行光管物镜1.1、望远物镜1.2和望远目镜1.3，构成光学装置。在光学装置的一侧设置有黑体4，另一侧设置有被测红外系统5。

平行光管物镜结构：在前凸透镜1.1和后凸透镜1.3之间相隔设置有凹透镜1.2，在凹透镜与凸透镜之间设置有光阑1.0。凸透镜凸面对称设置在凹透镜两侧或凸透镜凹凸面非对称设置在凹透镜的两侧。

望远物镜结构：望远物镜1.2为彼此分离设定间隔距离的前凹透镜1.21和后凹透镜1.22组成。

缩放焦距的望远目镜结构：望远目镜1.3为彼此分立设定间隔的平面凹透镜1.31和曲面凸透镜1.32组成。

光学装置技术参数设计：

1、采用像差理论求解（P.W）法设计红外平行光管物镜与望远物镜初始结构；

2、采用缩放法设计红外望远目镜初始结构;

3、通过相匹配软件对光学装置进行优化设计和像质评价。

其中，用像差理论求解（P.W）法设计,建立初级像差系数与结构参数之间的像差方程式。

                             (1)

       (2)

式中Φ——系统光焦度(屈光度)；

h——第一近轴光线在各光组上的高度(mm)；

hp——第二近轴光线在各光组上的高度(mm)；

φ——各光组的光焦度(屈光度)；

n——各光学材料的折射率；

J——系统的拉赫不变量。

公式1为光焦度分配、校正位置色差、校正倍率色差和校正Petzval场曲的方程，可求解出系统各光组的光焦度、间隔、光线的高度和光学材料等外部参数。

公式2为为校正球差、校正慧差、校正像散和校正畸变的方程,可求出系统内部参数P_i和W_i从而确定系统的结构参数镜组曲面半径R、间隔d、折射率n。

对镜头外部参数、像差方程、高斯结构参数、实际结构参数求解:得到平行光管物镜初始结构的设计结果。

望远物镜选择佩兹瓦尔（Petzval）型结构,Petzval物镜必须校正球差、慧差,由于双凸透镜光组S_IV不能校正,必须用像散来平衡Petzval场曲,所以像散一般为负。

对镜头外部参数、像差方程、高斯结构参数、实际结构参数求解:得到望远物镜的初始结构设计结果。

用缩放法设计望远目镜,选择像质好,且具备特殊面型的镜头作为初始结构。选择近似满足要求的F-θ型线性成像目镜作为初始结构设计结构。

通过缩放焦距后求解出的光学系统结构参数。选择缩放焦距后的结果即可作为红外目镜的最终初始结构。

后通过ZEMAX光学设计软件完成红外系统结构的优化设计和像质评价。在优化过程中,将平行光管物镜的孔径光阑调整到第一个光学元件位置以减少望远物镜的以降低望远物镜的轴上及轴外像差;将望远物镜的第一个透镜前表面和望远目镜的第一个透镜后边面设为抛物面以减少轴外像差;将目镜第一个透镜的材料改换为Ge以校正轴向色差和轴外像差。

从像差容限和动态传递函数MTF的综合分析红外光学系统综合成像满足动像传递函数测试的需要。

装置通过对黑体点光源发出的红外辐射进行光学准直和匹配，形成MTF衰减小，可供被测红外系统进行动态跟踪特性测试用的目标，实现了动像空间频率的准确测量和动像运动的大视场光学准直。

具体结构、步骤、原理及特点：

正凹透镜分离使这种结构能够校正Petzval场曲。两个凸透镜的放置方法有两种。第一种是将近似对称的两凸透镜对称置于凹透镜的两侧,这种近似对称结构可对垂轴像差很容易校正,但高级像差较大,无色光学玻璃易实现这种双凸对称结构;第二种将两凸透镜以弯月形式非对称放置于凹透镜两侧,这种非对称结构偏角小,因而高级像差较小,红外材料易实现这种弯月形非对称结构,表1汇总了平行光管物镜初始结构的设计结果。

表1 由P.W法设计的平行光管物镜初始结构

半径r（mm）	间隔d(mm)	材料
			204.54	6	Ge
264.71	54.65	—
			-339.72(stop)	6	ZnSe
-1051.49	90.12	—
			184.76	4	Ge
272.7	—	—

望远物镜选择Petzval型结构,对于红外光学系统而言,Petzval物镜多为彼此分离一定间隔的两个弯月形正光组组成。Petzval物镜必须校正球差、慧差,由于双凸透镜光组SIV不能校正,必须用像散来平衡Petzval场曲,所以像散一般为负。表2汇总了望远物镜的初始结构设计结果。

表2由P.W法设计的望远物镜初始结构

半径r（mm）	间隔d(mm)	材料
			176.78(stop)	6	Ge
219.68	195.11	—
			217.11	6	ZnSe
305.71	—	—

由于大出瞳距使得目镜设计较为困难,而受到红外材料透过率低和材料昂贵的限制,使得红外目镜的设计难度最大。在这种情况下,可选择像质较好,且具各特殊面型的镜头作为初始结构,以提高镜头的设计成功率。在镜头库中选择近似满足要求的F-θ型目镜作为初始结构设计结构。

表3望远目镜初始结构

半径r（mm）	间隔d(mm)	材料
			Stop	145.06	—
-50（asphere）	12	ZnSe
			-57.77	0.5	—
1204.82	12	ZnSe
			-190.48	121.80	—

表3中的镜头焦距为107.32mm,不符合设计要求,缩放焦距后求解出的光学系统结构参数。红外光学材料不涉及玻璃牌号的问题,因此缩放焦距后的结果即可作为红外目镜的最终初始结构。

表4缩放焦距的望远目镜初始结构

半径r（mm）	间隔d(mm)	材料
			Stop	145.06	—
-84.47（asphere）	20.27	ZnSe
			-97.61	0.84	—
2035.64	20.27	ZnSe
			-321.82	205.80	—

对于光学系统优化设计,红外光学系统的优化的原则与可见光系统基本一致,但由于红外光学系统自身的特点使其系统优化与可见光系统相比有所差别。适用于长波红外的晶体材料透过率普遍较高,因此其对单色像差校正较容易,但色差校正较困难;红外材料种类少限制了利用材料特性之间的差异校正像差的手段。由于红外较为昂贵、透过率较低、晶体光学均匀性较差使得设计红外光学系统时应尽量避免镜头裂化等复杂化方法,必要时,可以将透镜球面面型改为非球面面型,使得红外光学系统达到成本与综合成像质量之间的平衡。

红外系统结构的优化设计借助ZEMAX光学设计软件完成。在优化过程中,将平行光管物镜的孔径光阑调整到第一个光学元件位置以减少望远物镜的以降低望远物镜的轴上及轴外像差;将望远物镜的第一个透镜前表面和望远目镜的第一个透镜后边面设为抛物面以减少轴外像差;将目镜第一个透镜的材料改换为Ge以校正轴向色差和轴外像差。给出了目标耦合光学系统的设计结果。

另外应该指出,将平行光管物镜的孔径光阑位置移动,不但有助于系统完善成像,而且在抑制红外系统杂散辐射的工程实际问题中也有积极地意义。

对于优化结果的像质评价,目标耦合光学系统的基本像差曲线,可以看出其球差值为0.0147mm,轴向色差值为0.0123mm,场曲最大值为0.0135mm,畸变最大值为0,16%。

根据分析,红外目标耦合光学系统为小像差系统,应利用小像差系统相应的评价标准。计算出系统的像差容限。

表5红外目标耦合光学系统像差容限与实际像差比较

像差类型	像差容限	实际像差
			δLm(mm)	±0.2635	0.0147
δTm(mm)	±0.1026	0.0098
			δLZ(mm)	±0.3953	0.0133
δTZ(mm)	±0.1078	0.0078
			ComaT(mm)	±0.0385	-0.0125
Comas(mm)	±0.0128	-0.0068
			x’TS(mm)	±0.0461	-0.0041
DT(百分率)	±2%	0.16%
			L’FC(mm)	±0.0659	0.0123
T’C(mm)	±0.0257	0.0045
			W（λ）	0.25λ	0.17λ

分析表格可以看出,红外目标耦合光学系统的各项公差均在像差容限范围内,并且绝大部分像差远小于小像差光学系统的像差容限,可以认为整个系统的成像质量良好。

目标耦合光学系统MTF曲线可以看出,目标耦合光学系统各个视场像质的均匀性和―致性好,且均接近衍射极限,MTF151p/mm值优于0.75。系统的单个像元内的衍射能量集中度为68%。从像差容限和MTF的综合分析分析可以看出,红外目标耦合光学系统综合成像质量很好,已接近理想成像条件,可以认为能满足动像传递函数测试的需要。

红外目标耦合光学系统共有14个空气与光学材料界面,设计增透膜透过率95%,则系统的透过率τ_l=0.9514=0.49。假设待测寻的器为三片式镜头则其透过率近似为τ₂=0.956=0.74,则两个系统级联在一起的透过率为τ=τ₁τ₂=0.358。考虑系统传播途径中空气的吸收、散射问题,总体透过率取0.3,能够满足设计要求。

根据各个镜组的内外部参数计算，选择适合的玻璃材料，按结构参数中的半径R进行精密研磨，研磨成型后按设计中的间隔距离d粘合在密闭铸管内，加工成红外光学装置。

Claims (1)

1.用于红外动态跟踪特性测试的光学装置，其特征是： 

光学装置结构：在封闭铸管（1）内依次设置有装有光阑（1.0）的平行光管物镜（1.1）、望远物镜（1.2）和望远目镜（1.3），构成光学装置；在光学装置的一侧设置有黑体（4），另一侧设置有被测红外系统（5）；

所述平行光管物镜结构：在前凸透镜（1.1）和后凸透镜（1.3）之间相隔设置有凹透镜（1.2），在凹透镜（1.2）与后凸透镜（1.3）之间和前凸透镜（1.1）和凹透镜（1.2）之间设置有光阑（1.0），凸透镜凸面对称设置在凹透镜两侧或凸透镜凹凸面非对称设置在凹透镜的两侧；

所述望远物镜结构：望远物镜（1.2）为彼此分离设定间隔距离的前凹透镜（1.21）和后凹透镜（1.22）组成；

所述望远目镜结构：望远目镜（1.3）为彼此分立设定间隔的平面凹透镜（1.31）和曲面凸透镜（1.32）组成；

采用像差理论求解P.W法设计红外平行光管物镜与望远物镜初始结构；

采用缩放法设计红外望远目镜初始结构；

通过相匹配软件对光学装置进行优化设计和像质评价；

所述望远物镜选择佩兹瓦尔Petzval型结构；

所述平面凹透镜的材料为Ge。